Riesiger Tunnelelektrowiderstand in ferroelektrischen Tunnelübergängen erfolgreich in einem neu vorgeschlagenen Schema erhalten

Kürzlich in einer Veröffentlichung in Körperliche Überprüfung angewendetuntersuchte ein Forschungsteam des Hefei Institutes of Physical Science (HFIPS) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) die Grenzflächenkontrolle der Transporteigenschaften von ferroelektrischen Perowskitoxid-Tunnelübergängen (FTJs) und schlug ein neues Schema vor, um einen riesigen Tunnelelektrowiderstand zu erreichen ( TER) in FTJs.

Laut Zheng Xiaohong, Leiter des Teams, wurde ein TER-Verhältnis von bis zu 105 % erreicht, indem eine negative polare Atomschicht an einer der Grenzflächen des symmetrischen Pt/BaTiO3/Pt-FTJ eingeführt wurde.

FTJ ist ein Tunnelübergang, bei dem ein dünner ferroelektrischer Film zwischen zwei Metallelektroden eingebettet ist. Der Widerstand hängt stark von der Polarisationsrichtung der ferroelektrischen Barriere ab. Durch Umkehr der Polarisationsrichtung mit einem äußeren elektrischen Feld können zwei stark unterschiedliche Zustände mit hohen bzw. niedrigen Widerständen erreicht werden.

FTJs haben wichtige Anwendungen in nichtflüchtigen Direktzugriffsspeichern. Mit den Vorteilen einer hohen Datenspeicherdichte, einer schnellen Lese-/Schreibgeschwindigkeit und eines geringen Stromverbrauchs haben sie als Speicherelemente ein umfangreiches Forschungsinteresse auf sich gezogen. Der Unterschied zwischen den Zuständen mit hohem und niedrigem Widerstand wird normalerweise durch das TER-Verhältnis gekennzeichnet. Daher ist die Erzielung eines hohen TER-Verhältnisses immer eine der Schlüsselfragen bei der Untersuchung von FTJs.

In dieser Forschung schlugen Wissenschaftler ein neues Schema vor, um riesige TER-Verhältnisse zu realisieren, indem sie eine negative polare Atomschicht an einer Grenzfläche des FTJ einführten.

Beim symmetrischen Pt/BaTiO3/Pt-FTJ wird eine negative NaO2- oder LiO2-Grenzfläche gebildet, indem Ti durch Na- oder Li-Atome an der rechten Grenzfläche des Pt/BaTiO3/Pt-Tunnelübergangs ersetzt wird. Dann wurde durch diese zusätzliche NaO2- oder LiO2-Schicht ein TER-Verhältnis von 105 % erreicht.

Der Mechanismus beruht auf dem großen Unterschied in der Potentialänderung in der ferroelektrischen Barriere, die von der negativen polaren Grenzfläche in den zwei polarisierten Zuständen herrührt.

Wenn die ferroelektrische Barriere links polarisiert ist, nehmen die Bänder der Barriere an jeder Atomschicht von links nach rechts zu. Währenddessen schiebt die negativ geladene NaO2- oder LiO2-Grenzfläche aufgrund der Coulomb-Abstoßung die Bänder der Barriere weiter nach oben, und in der Nähe des rechten Grenzflächenbereichs steigt das Valenzbandmaximum (VBM) über die Fermi-Energie, was zu einer teilweisen Metallisierung führt.

Im rechten Polarisationszustand besteht zwar noch die Coulomb-Abstoßung an der NaO2- oder LiO2-Grenzfläche, aber das Band der ferroelektrischen Barriere selbst nimmt von links nach rechts ab. Aufgrund der Aufhebung zwischen ihnen ist die Valenzbandverteilung in der gesamten Barriere relativ flach und die VBM liegt immer unterhalb der Fermi-Energie, ohne dass eine teilweise Metallisierung auftritt. Das Auftreten und Verschwinden einer partiellen Metallisierung in den beiden Polarisationszuständen verändert die effektive Barrierenbreite erheblich und führt zu Zuständen mit niedrigem und hohem Widerstand, wobei anschließend ein riesiges TER-Verhältnis erreicht wird.

Die Studie zeigt, dass eine negativ geladene polare Grenzfläche basierend auf Grenzflächensubstitution ein praktikables Schema ist, um ein großes TER-Verhältnis in FTJs zu erreichen, und eine wichtige Referenz für das Design von Hochleistungs-FTJs liefert.

Bereitgestellt von Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences